Шуман В. Мир камня. Горные породы и минералы

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение
Основные понятия

Камень — это всякая твердая нековкая составная часть земной коры в виде сплошной массы или отдельных кусков. Ювелир понимает под этим словом драгоценные камни, строитель — материалы, с помощью которых мостят улицы и возводят дома. Геологи же, занимающиеся наукой о Земле, называют объекты своего изучения не «камнями», а горными породами и минералами.
Горная порода, или, как чаще говорят, порода, представляет собой сочетание (агрегат) минералов естественного (природного) происхождения. Обычно породы слагают более или менее значительные площади. Песок и суглинок тоже причисляют к горным (точнее — рыхлым осадочным) породам. Наука, изучающая горные породы, носит название петрографии.
Минерал — это внутренне однородный твердый компонент земной коры, образовавшийся естественным путем. С началом эры космических полетов минералами стали называть и твердые составные части горных пород Луны. Большинство минералов выделяется в виде кристаллов, имеющих определенные формы. Слово «минерал» происходит от латинского слова mina («мина») — шахта. Наука о минералах именуется минералогией.
Кристалл — это однородное по составу тело строго геометрической формы с закономерным внутренним строением — кристаллической решеткой. Структура кристаллической решетки определяет разнообразие физических свойств кристаллов, а тем самым и минералов. Раздел науки, изучающий кристаллы, называется кристаллографией.
Драгоценный камень — понятие, не имеющее единого определения. Чаще всего к драгоценным камням относят красивые и редкие минералы (в некоторых случаях и минеральные агрегаты), обладающие достаточно высокой твердостью, а потому весьма стойкие к истиранию, иными словами, почти не подвластные времени. Но, разумеется, представление о красоте камня с течением времени менялось, вот почему отдельные камни, ранее слывшие драгоценными, давно забыты, тогда как другие минералы ныне, наоборот, возведены в ранг драгоценных камней. Понятие полудрагоценный камень, как прежде называли не очень твердые ювелирные и поделочные камни, еще менее четко и на сегодняшний день не вполне правомочно. Ювелирноподелочный камень — собирательное понятие, охватывающее все камни, используемые в качестве украшений (в том числе и в декоративных целях). В более узком смысле слова поделочными камнями называют относительно недорогие самоцветы, которые тем самым как бы противопоставляются «настоящим» драгоценным камням. Наука о драгоценных камнях носит название геммологии.
Руда в общем случае представляет собой минеральную смесь, с промышленным содержанием металлов. В последнее время рудами иногда называют и некоторые виды неметаллического минерального сырья, обладающие полезными свойствами. Поскольку практическая ценность руды (иначе говоря, кондиционность, пригодность для разработки) зависит от факторов, которые с течением времени могут изменяться (технические возможности добычи и обогащения, экономическая конъюнктура, транспортные условия), понятие «руда» применимо не только к определенным минералам или горным породам.

Минералы

В настоящее время известно около 3000 минералов, и ежегодно ученые открывают все новые и новые их виды. Нр лишь около 100 минералов имеют сравнительно большое практическое значение: одни — в силу их широкой распространенности, другие — благодаря особым, ценным для человека свойствам. И только четверть из них играют существенную роль в составе горных пород.
Некоторые минералы были известны еще в Древней Греции. Однако научный способ их познания утвердился гораздо позже. Отцом минералогии по праву считают немецкого ученого Георга Агрйколу (1494—1555). Значительный вклад в развитие учения о минералах внесли также профессор минералогии Фрейбергской горной академии Абраам Готлоб Вернер (1750—1817), который разработал классификацию горных пород, и профессор химии из Берлина Мартин Генрих Клапрот (1743—1817).
Возникновение названий минералов не подчиняется какой-либо единой системе: одни из них заимствованы из жаргона горняков или народной речи, другие были придуманы специально. Роль немецких ученых в развитии минералогии нашла отражение в значительном распространении немецких терминов, которые получили международное признание. С течением времени многие минералы получали новые названия, но при этом их старые наименования нередко тоже не выходили из употребления. Поэтому сейчас один и тот же минерал может иметь несколько наименований. Особенно запутана номенклатура драгоценных и поделочных камней: их многочисленные наименования необозримы и часто могут ввести в заблуждение. И хотя существуют международные соглашения о единой номенклатуре драгоценных камней, практика показывает, что еще и сегодня не положен конец произвольному присвоению им самых разных торговых наименований.

Происхождение и строение

Минералы могут образовываться по-разному. Такие широко известные минералы, как полевой шпат, кварц и слюда, кристаллизуются из огненножидких расплавов и газов преимущественно в недрах Земли, реже — из лав, излившихся на земную поверхность. Некоторые минералы образуются из водных растворов или возникают при участии организмов, некоторые — путем перекристаллизации уже существующих минералов под воздействием больших давлений и высоких температур.
Многие минералы часто встречаются в определенных сообществах, или ассоциациях, так называемых парагенезисах (например, полевой шпат и кварц), но бывают-- и исключающие друг друга минералы (например, полевой шпат и каменная соль).
Большинство минералов имеет определенный химический состав. Входящие в них примеси хотя и способны влиять на физические свойства минералов или даже изменять их, но в химических формулах обычно не упоминаются. При определении минералов весьма существенную роль играет форма их кристаллов. И хотя в образцах она не всегда идеально выражена, а чаще просто искажена, все же в большинстве случаев удается различить какие-либо признаки кристаллического строения — грани, штриховку или постоянные углы между гранями. Типичные формы кристаллов объединены в семь кристаллографических систем, называемых сингониями. Различие между ними проводится по кристаллографическим осям и углам, под которыми эти оси пересекаются (см. таблицу на стр. 11).
Существуют следующие кристаллографические сингонии (системы): кубическая (правильная), тетрагональная (квадратная), гексагональная (шестиугольная), тригоналъная (ромбоэдрическая, или треугольная), ромбическая (иногда называемая орторомбической), моноклинная и триклинная.

ной и пересекаются под углами 120° (или 60°), четвертая же ось (другой длины) ориентирована перпендикулярно трем остальным. Тригональная сингония имеет те же оси и углы, что и гексагональная. Поэтому эти обе сингонии часто объединяют в одну — гексагональную. Различие между ними проявляется в элементах симметрии. В гексагональной сингонии поперечное сечение призматической основной формы шести-
угольное, в тригональной — треугольное. При стесывании углов треугольника получается шестисторонняя гексагональная форма. В ромбической сингонии все оси взаимно перпендикулярны, но имеют разную длину. В моноклинной сингонии из трех осей разной длины две взаимно перпендикулярны, а третья расположена под острым углом к ним. В триклинной сингонии все три оси различны по длине и наклонены по отношению друг к другу.
Конечно, большинство окристаллизованных минералов не встречается в виде правильно образованных кристаллов; чаще их формы искажены и для них характерно преимущественное развитие одних граней за счет других. Однако углы между соответствующими гранями всегда остаются одинаковыми. Некоторые минеральные вещества кристаллизуются в разных сингониях. В таких случаях говорят о полиморфизме и о полиморфных модификациях. Например, карбонат кальция СаСОэ может образовывать в различных условиях две модификации — тригональный кальцит и ромбический арагонит.
Факторами, определяющими форму минерала, являются строение его кристаллической решетки и упаковка атомов, ионов или молекул. Если при одинаковом химическом составе сами атомы всегда идентичны, то их взаимное расположение может быть весьма различным. Структура кристаллической решетки определяет не только форму кристаллов, но и их спайность. Так, например, при спиральном расположении частиц в решетке, не допускающем проведения в ней плоских поверхностей раздела, кристалл не раскалывается по спайности (то есть спайность у него отсутствует).
Все кристаллические минералы имеют решетку, и только внутреннее строение аморфных веществ лишено закономерной упорядоченности.
В отдельных случаях в результате выполнения полостей, оставшихся на месте растворенных и вынесенных кристаллов, замещения или обрастания (крустификации) других образований минералы могут появляться в нетипичных для них кристаллических формах — в виде так называемых псевдоморфоз, или ложных кристаллов.
Если минералы одинакового строения различаются лишь незначительными вариациями в химическом составе, изменениями окраски или какими-нибудь другими особенностями, говорят об их разновидностях. Среди драгоценных и поделочных камней разновидности играют значительную роль.
Огранкой или огранением называют комбинацию граней, наиболее характерную для кристаллов того или иного минерала (например, ромбододекаэдр у граната), габитусом — облик кристаллов и их агрегатов (например, столбчатый, таблитчатый или игольчатый). Бесструктурные на вид минеральные массы, сложенные кристаллическими зернами, которые имеют решетку, но вследствие затрудненного роста лишены правильных внешних ограничений, называют сливными, сплошными или массивными зернистыми агрегатами.
Подчас два или несколько кристаллов одного минерала срастаются между собой таким образом, что проявляют закономерную взаимную ориентировку. Подобные

Кристаллическая решетка каменной соли (галита). Черные кружки — ионы натрия, белые — ионы хлора.

образования называют двойниками, тройниками и сложными (многократными, множественными) двойниками. Наряду с двойниками срастания, в которых составляющие кристаллы лишь соприкасаются между собой (по плоскости срастания), существуют еще двойники прорастания с взаимным проникновением составляющих их кристаллов друг в друга. Двойниковые сростки распознаются по часто наблюдаемым у них входящим углам, которые у монокристаллов никогда не появляются.
Крупные и хорошо образованные правильные кристаллы минералов красивой формы встречаются в горных породах, где они нарастают на внутренних стенках округлых замкнутых полостей. Такие заполненные минеральным веществом пустоты называют жеодами, а наросшие на их стенках или на стенках трещин группы красивых кристаллов — друзами. Типичные минералы друз — кварц, кальцит и флюорит.

Коллекционеры называют свободные (или отпрепарированные) хорошо образованные минеральные группы штуфами. Но по большей части кристаллические индивиды бывают столь мелкими, что распознаются лишь под лупой или даже под микроскопом. Такие кристаллические (зернистые) агрегаты называют плотными.
Особый интерес для коллекционера представляют так называемые каменные розы — листоватые сростки, возникшие вследствие смещения индивидов, первоначально нараставших друг на друга в параллельном положении. Подобные груболистоватые формы развития типа «розы» можно встретить у гипса, барита и гематита (железной слюдки).
Гораздо чаще встречаются различные виды минеральных сростков (минеральные агрегаты или минеральные скопления). В зависимости от минерального состава и от условий, в которых протекал процесс роста, возникали шестоватые, радиально-ори- ентированные (лучистые, волокнистые, игольчатые и др.), листоватые или зернистые агрегаты. Радиальные агрегаты проявляют тенденцию к образованию сферических форм, которые в тех случаях, когда они имеют гладкую и блестящую поверхность, называют стеклянной головой (правильнее было бы называть «лысой»). Кон- центрически-скорлуповатые образования, такие, как арагонитовый гороховый камень, носят название оолитов (см. стр. 16).

Физические свойства

У минералов форма кристаллов в большинстве случаев развита не столь идеально, чтобы по ней можно было безошибочно отличить один минерал от другого, поэтому здесь нам помогают такие физические свойства минералов, как цвет, блеск, спайность, излом, твердость и плотность.
Однако любителю следует помнить, что не все встреченные им минералы удается диагностировать, не прибегнув к специальным химическим и физическим исследованиям.

Цвет и черта

Цвет минерала лишь в редких случаях может служить характерным диагностическим признаком, как, например, у синего азурита, зеленого малахита, желтой серы или красной киновари. Большинство же минеральных видов может иметь различную

окраску. Например, флюорит бывает бесцветным, желтым, коричневым, розовым, зеленым, синим, фиолетовым и даже почти черным. Химические и механические примеси способны изменить собственную окраску минерала и позволяют выделять его разновидности.
Кроме того, цветовые оттенки минералов могут меняться под воздействием высоких температур, ультрафиолетового и радиоактивного облучения, а также просто выцветать на солнечном свету. В ювелирном деле заметную роль играет искусственное окрашивание драгоценных и поделочных камней.
Более надежным диагностическим признаком минералов, чем цвет, является так называемый цвет черты (или, как часто говорят, просто черта). Цвет черты выявляется, если уголком испытуемого образца потереть пластинку неглазурованного фарфора — бисквита. Если минерал окажется твердым, рекомендуется прежде соскрести напильником немного порошка, а потом уже растереть его на пластинке.
Черта отражает собственный цвет минерала, ее окраска более постоянна и в меньшей мере зависит от цветовых разновидностей минерала. Так, цвет черты черного железного блеска (разновидности гематита) — вишнево-красный, золотисто-желтого пирита — черный с зеленоватым оттенком, а флюорита — независимо от его желтой, зеленой или фиолетовой окраски — всегда белый.

Блеск, прозрачность

Блеск минерала обусловлен тем, как свет отражается от его поверхности. В минералогии различают стеклянный, шелковистый, перламутровый, алмазный, жирный, смоляной, восковой, металлическии и полуметаллический блеск. Многие минералы вообще лишены блеска, на вид они тусклые, матовые. Металлический блеск бывает не только у самородных металлов, но и сульфидов, а также у некоторых оксидов. Многие минералы с металлическим блеском обнаруживают цвета побежалости, и в таких случаях у них часто наблюдаются великолепные радужные переливы.
Налеты и поверхностные явления выветривания могут изменять блеск минерала или значительно уменьшать его. Поэтому определение блеска тоже не всегда оказывается однозначным.
Минералы бывают прозрачными, просвечивающими, то есть слабо пропускающими свет, или непрозрачными. К числу последних относятся минералы с металлическим блеском. Однако почти все минералы, за исключением самородных металлов (кроме золота), прозрачны или просвечивают в очень тонких срезах, называемых шлифами.

Все пропускающие свет минералы, не принадлежащие к кубической сингонии, обнаруживают более или менее сильное двупреломление. Если, к примеру, положить ромбоэдрический кристалл кальцита на страницу с каким-нибудь текстом, то все буквы будут видны сквозь кристалл раздвоенными. Исландский шпат (прозрачная разновидность кальцита) демонстрирует явление двойного лучепреломления особенно отчетливо, и потому этот минерал называют также двупреломляющим шпатом. Однако у большинства минералов двупреломление света так невелико, что невооруженным глазом его не распознать. Причина двойного лучепреломления заключается в том, что световой луч, проходя сквозь кристалл, разлагается на два луча, каждый из которых преломляется по-разному.
У некоторых минералов (преимущественно у драгоценных камней) можно видеть переливы, мерцание и другие световые эффекты (иризацию, опалесценцию). Эти оптические явления возникают вследствие отражения света от тонких пластинок, представляющих собой включения в минерале или непосредственно участвующих в его строении. (Опалесценцию вызывает рассеяние света на слоях из крошечных шариков кремнезема. — Пер.)

Спайность и излом

Многие минералы раскалываются по плоским поверхностям. В таких случаях говорят, что минерал имеет спайность. Спайность зависит от строения кристаллической решетки. В зависимости от легкости, с какой раскалывается минерал, различают весьма совершенную (у слюды), совершенную (у кальцита) и несовершенную (у граната) спайность. Все шпаты (полевой шпат, плавиковый, шпат — флюорит, известковый шпат — кальцит) отличает хорошая спайность. Но встречаются и такие минералы, которые вообще лишены спайности (кварц). В таких случаях отделение друг от друга соприкасающихся индивидов в двойниках срастания называют не спайностью, а отдельностью.
Для минералов, обладающих плохой спайностью или вовсе лишенных ее, важным диагностическим признаком может служить излом — характер поверхности неправильных обломков, на-которые кристалл раскалывается при ударе. Различают раковистый, занозистый, волокнистый, ровный, неровный, ступенчатый и землистый изломы. Раковистый излом типичен для всех разновидностей кварца и для любых стекловатых горных пород.

Твердость

Под твердостью минерала обычно понимают сопротивление, которое оказывает его поверхность при попытке поцарапать ее другим камнем или иным предметом.
Немецкий минералог Фридрих Моос (1773—1839) предложил шкалу, согласно которой минералы группируются в соответствии с их относительной твердостью по десятибалльной шкале, которая называется минералогической шкалой твердости, или шкалой Мооса. Каждый минерал, занимающий определенное место в этой шкале, царапает все минералы с меньшим значением твердости, но в то же время сам царапается стоящими выше него более твердыми минералами. Минералы с равными значениями твердости не царапают друг друга.
Путем сравнения с этой шкалой может быть установлена твердость любого минерала — твердость по Моосу. 'Минералы с твердостью 1 и 2 считаются мягкими, от 3 до 6 — средней твердости, а выше 6 — твердыми. О минералах с твердостью 8—10 говорят, что они обладают твердостью драгоценных камней.
Шкала Мооса — относительная шкала. С ее помощью может быть установлено лишь, какой минерал тверже. О том, насколько увеличивается в количественном выражении твердость от ступени к ступени по шкале Мооса, сказать нельзя. В представленной здесь таблице эта шкала сопоставлена с абсолютными значениями твердости — это твердость шлифования в воде по Розивалю. Сопоставление показывает, как скачкообразно возрастает абсолютная твердость. Для неспециалиста определение абсолютной твердости, требующее сложной аппаратуры, практически невозможно.

При определении твердости по Моосу следует пользоваться образцами с острыми краями и царапать на робных свежих (не затронутых выветриванием) поверхностях. У ребристых образований, листоватых кристаллов, выветрелых с поверхности минералов значения твердости царапанья получаются заниженными. Применение шкалы Мооса к горным породам в общем случае невозможно вследствие их гетерогенности — присутствия разнородных составных частей.
Главное достоинство шкалы Мооса заключается в простоте ее использования. С помощью эталонных образцов и наборов принадлежностей для царапанья твердость минералов можно легко определять в поле, во время прогулок и экскурсий. Если даже у вас под рукой нет контрольных образцов, то можно воспользоваться другими простыми вспомогательными средствами. Так, наш ноготь царапает минералы с твердостью до 2, перочинный нож — с твердостью до 5—6, стекло без труда царапается кварцем (его твердость по Моосу 7). Конечно, для профессиональной диагностики минерала или драгоценного камня определение твердости по Моосу слишком неточно. Кроме того, драгоценные камни при царапанье можно повредить. Поэтому в подобных случаях прибегают к определению так называемой твердости шлифования, которая измеряется количеством минерала, сошлифовываемого с поверхности образца при определенных условиях.

Плотность

Под плотностью понимается масса вещества, отнесенная к массе равного объема воды. Следовательно, минерал с плотностью 2,6 в 2,6 раза тяжелее такого же объема воды. Плотность минералов, горных пород и руд колеблется от 1 до 20. Минералы с плотностью ниже 2 воспринимаются как легкие (янтарь — 1,0), от 2 до 4 — как нормальные (кварц — 2,6), выше 4 — как тяжелые (галенит, или свинцовый блеск, — 7,5).
Самые дорогие драгоценные камни, так же как и благородные металлы, имеют более высокую плотность, чем такие породообразующие минералы, как кварц и полевой шпат. По этой причине в текучих водах сначала происходит отложение и накопление тяжелых минералов, а потом уже — кварцевых песков, которые их перекрывают. Такого рода месторождения полезных минералов называются россыпями.
Плотность минерала может быть вычислена следующим образом:

масса минерала плотность минерала =----------------------- — объем минерала Гидростатические весы.

Массу минерала нетрудно определить с помощью любых весов. Его объем можно найти разными способами, в том числе посредством вытеснения воды в мерном сосуде или путем гидростатического взвешивания. Второй метод точнее и пригоден даже для мелких образцов. На гидростатических весах подвешенный на тонкой проволочке минерал сначала взвешивается в воздухе, а затем погруженным в воду. Разность обоих результатов соответствует массе вытесненной воды и тем самым численно равна объему минерала. Такой способ определения плотности с точностью до одного знака после запятой доступен и любителю. Разумеется, при этом важно проследить, чтобы минерал был чистым, свободным от посторонних веществ иной плотности.

Плотность = 52,0

52,0 г 32,8 г 19,2

Пример.

Масса при взвешивании на воздухе
Масса при взвешивании в воде Разность (объем)

Прочие свойства

Существуют еще и другие свойства и способы, которые могут помочь при определении минералов, это поведение их перед паяльной трубкой и в прозрачных шлифах, магнитность, запах, вкус, ощущение на ощупь.
Испытания на плавкость и реакции окрашивания пламени проводятся с помощью паяльной трубки. Это латунная трубка, на одном конце которой имеется деревянный мундштук, а на другом — волосное отверстие. Вдувая воздух через паяльную трубку в пламя (например, горелки Бунзена или даже обыкновенной свечи), можно очень сильно накалить его и лучеобразно направить в нужную точку. Чтобы эффективно пользоваться паяльной трубкой, требуются вспомогательные лабораторные материалы, а также определенные химические знания и навыки. Поэтому метод паяльной трубки неспециалисты должны использовать лишь в порядке исключения.
Прозрачные шлифы (срезы толщиной 0,02—0,03 мм) позволяют рассмотреть под микроскопом структуру образца. Наряду с полированными шлифами (аншлифами) они применяются при исследовании руд, но первостепенную роль играют в петрографии, при микроскопическом изучении горных пород.

Классификация

Все многообразие минералов подразделяется на группы, объединяющие минералы с общими признаками. В научной минералогии общепринято классифицировать минералы прежде всего по их химическому составу. Ниже приведены классы минералов.

1.  Элементы: алмаз, висмут, графит, золото, медь, мышьяк, платина, сера, серебро.
2.  Сульфиды: антимонит, аргентит, арсенопирит, аурипигмент, блеклая руда, борнит, бурнонит, галенит, киноварь, кобальтин, ковеллин, красная серебряная руда, леллингит, марказит, молибденит, никелин, пентландит, пирит, пирротин, реальгар, станнин, сфалерит, халькозин, халькопирит, хлоантит.
3.  Галогениды: атакамит, галит, карналлит, криолит, сильвин, флюорит.
4.  Оксиды и гидроксиды: анатаз, браунит, вольфрамит, гаусманнит, гематит, гетит. гиббсит, диаспор, ильменит, касситерит, кварц, корунд, куприт, лимонит, магнетит, манганит, опал, пиролюзит, псиломелан, рутил, урановая смолка (настуран), франк- линит, хризоберилл, хромит, цинкит.
5.  Нитраты, карбонаты, бораты: азурит, анкерит, арагонит, борацит, витерит, гидроцинкит, доломит, кальцит, магнезит, малахит, родохрозит, сидерит, смитсонит, стронцианит, церуссит.
6.  Сульфаты, хроматы, мОлибдаты, вольфраматы: ангидрит, англезит, барит, вольфрамит, вульфенит, гипс, крокоит, молибденит, целестин, шеелит.
   
7.  Фосфаты, арсенаты, ванадаты: апатит, бирюза, ванадинит, вивианит, лазулит, миметезит, пироморфит, урановые слюдки.
8.  Силикаты: авгит, актинолит, андалузит, арфведсонит, берилл, бронзит, везувиан, волластонит. гаюин. геденбергит. гиперстен, диаллаг, диопсид, диоптаз, жадеит, каолинит, кианит (дистен), кордиерит, лазурит, лейцит, монтмориллонит, нефелин, нозеан, оливин, пирофиллит, полевой шпат, пренит, роговая обманка, родонит, серпентин, силлиманит, содалит, сподумен, ставролит, тальк, титанит (сфен), топаз, тремолит, турмалин, хлорит, хризоколла, цеолиты, циркон, цоизит, эгирин.

В минералогии существуют и другие классификационные принципы.
В нашем случае за основу классификации минералов приняты области, в которых они имеют наибольшее значение для человека, то есть выделяются группы породообразующих минералов, драгоценных и поделочных камней и рудных минералов.

.